JP6871134B2 - ロボットアセンブリ用の準受動的弾性アクチュエータを有するクラッチ式関節モジュール - Google Patents
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Description
本出願は、2016年11月11日に出願された米国特許仮出願第62/421,175号の優先権を主張し、この米国特許出願の全内容が引用により本明細書に組み入れられる。
人間のオペレータがロボットアームを所望の位置または向きに保持するのにエネルギーを必要としない。これは、例えば、ねじりコイルばねが、関節および当該関節に結合されているロボット支持部材(外骨格の場合、オペレータの関連する部分も同様)の所定の位置を維持するために、(クラッチが係合している時に)引力から離れるまたは引力に抗する反作用付勢力を作用させることができるからである。
Claims (29)
- ロボットアセンブリのクラッチ式関節モジュールであって、
ロボットシステムの第1の支持部材に結合可能な出力部材と、
前記ロボットシステムの第2の支持部材に結合可能な入力部材と、
前記第1の支持部材と前記第2の支持部材とを互いに対して前記クラッチ式関節モジュールの回転軸周りに回転させるべく前記出力部材に一次トルクを印加するように動作可能な一次アクチュエータと、
前記入力部材に結合される第1の端部を有し、前記出力部材を前記回転軸周りに回転させるべく前記一次アクチュエータによって加えられる前記一次トルクと組み合わせられる増大トルクを前記出力部材に印加するように動作可能なねじりコイルばねを含む準受動的弾性アクチュエータと、
前記一次アクチュエータおよび前記準受動的弾性アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態および非係合状態で動作可能であるクラッチ機構であって、前記クラッチ機構は:
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと交互に配置されて回転可能に面する複数の出力プレートと、
前記クラッチハウジングに結合され、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに選択的に可変圧縮力を印加して、前記クラッチ機構を前記係合状態又は前記半係合状態のうちの一方で動作させるように動作可能であり、前記可変圧縮力を選択的に取り除いて、前記クラッチ機構を前記非係合状態で動作させるように動作可能である、電磁アクチュエータと、を備える、
クラッチ機構と、を備え、
前記係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態にして前記増大トルクの印加を容易にし、前記半係合状態において、前記クラッチ機構は、制動力を生成するように動作する、ロボットアセンブリのクラッチ式関節モジュール。 - 前記非係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを非弾性状態にする、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記一次アクチュエータは、前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸と実質的に同一直線上に存在する主回転軸を有する、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ機構は、前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸と実質的に同一直線上に存在するクラッチ回転軸を有する、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸周りに動作する変速機を更に備え、
前記変速機は、前記一次アクチュエータと前記出力部材との間に動作可能に結合される、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。 - 前記クラッチ機構、前記一次アクチュエータおよび前記変速機は全て、前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸に対して配置され前記回転軸周りで動作可能である、請求項5に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記変速機は、少なくとも部分的に前記一次アクチュエータの中央空隙内に配置される、請求項5に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ機構および前記準受動的弾性アクチュエータの少なくとも一方は、前記弾性状態において、前記入力部材と前記出力部材との間の回転を制限するブレーキとして動作する、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ機構が前記係合状態にあり前記入力部材が第1の回転を行う時、前記ねじりコイルばねはエネルギーを蓄積し、
前記クラッチ機構が前記係合状態を維持したまま前記入力部材が第2の回転を行う時、前記ねじりコイルばねはエネルギーを解放して、前記増大トルクを印加し、
前記クラッチ機構が前記非係合状態にあり前記入力部材が第3の回転を行う時、前記準受動的弾性アクチュエータは非弾性状態に置かれて前記増大トルクを取り除くのを容易にする、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。 - 前記クラッチ機構および前記準受動的弾性アクチュエータは、前記一次アクチュエータの軸からオフセットされた軸に沿って配置され、前記クラッチ機構および前記準受動的弾性アクチュエータは、伝動ベルトを介して前記一次アクチュエータに動作可能に接続される、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記一次アクチュエータは中央空隙を有する電気モータを備え、
前記クラッチ式関節モジュールは更に、
前記中央空隙内に少なくとも部分的に配置される第1の変速機と、
前記第1の変速機と前記出力部材との間に動作可能に結合される第2の変速機と、を備える、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。 - 前記電気モータ、前記第1の変速機および前記第2の変速機はそれぞれ、前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸周りに回転する、請求項11に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ機構は更に、前記クラッチ機構が前記非係合状態にある時、前記複数の出力プレートが前記複数の入力プレートに対して自由に回転するように、前記複数の出力プレートに結合されて前記入力プレートに対して自由に移動可能なクラッチ出力シャフトを備える、請求項1に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記ねじりコイルばねの第2の端部は、前記クラッチ出力シャフトおよび前記一次アクチュエータに結合される伝達シャフトに結合される、請求項13に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記一次アクチュエータは電気モータを含み、
前記クラッチ式関節モジュールは更に、前記電気モータおよび前記伝達シャフトに動作可能に結合された変速機を備える、請求項14に記載のクラッチ式関節モジュール。 - 前記電気モータ、前記伝達シャフト、前記クラッチ出力シャフトおよび前記変速機はそれぞれ、前記クラッチ式関節モジュールの前記回転軸周りに回転する、請求項15に記載のクラッチ式関節モジュール。
- ロボットシステムの電力消費を抑えるロボットシステムであって、
複数の支持部材と、
それぞれが少なくとも二つの前記支持部材を共に回転可能に結合している複数のクラッチ式関節モジュールと、を備え、
前記複数のクラッチ式関節モジュールはそれぞれ、
回転軸周りに回転可能であり、前記ロボットシステムの自由度を規定する関節と、
前記関節を回転させる一次トルクを印加可能な一次アクチュエータと、
前記一次アクチュエータからの前記一次トルクと組み合わせて増大トルクを印加して、前記関節を回転させるべく動作する準受動的弾性アクチュエータと、
前記一次アクチュエータおよび前記準受動的弾性アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態および非係合状態で動作可能であるクラッチ機構であって、前記クラッチ機構は:
入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと交互に配置されて回転可能に面する複数の出力プレートと、
前記クラッチハウジングに結合され、前記複数の出力プレートおよび前記複数の入力プレートに選択的に可変圧縮力を印加して、前記クラッチ機構を前記係合状態又は前記半係合状態のうちの一方で動作させるように動作可能であり、前記可変圧縮力を選択的に取り除いて、前記クラッチ機構を前記非係合状態で動作させるように動作可能である、電磁アクチュエータと、を備える、
クラッチ機構と、を備え、
前記係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態にして前記増大トルクの印加を容易にし、前記半係合状態において、前記クラッチ機構は、制動力を生成するように動作し、
前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの少なくとも1つの前記準受動的弾性アクチュエータはねじりばねを含む、ロボットシステム。 - 前記クラッチ機構は、前記関節の前記回転軸と実質的に同一直線上に存在するクラッチ回転軸を有する、請求項17に記載のシステム。
- 前記関節の前記回転軸周りに動作する変速機を更に備え、
前記変速機は、少なくとも部分的に前記一次アクチュエータの中央空隙内に配置される、請求項17に記載のシステム。 - 前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの第1のクラッチ式関節モジュールは、前記複数のクラッチ式関節モジュールのうちの第2のクラッチ式関節モジュールの準受動的弾性アクチュエータの弾性要素の種類とは異なる種類の弾性要素を有する準受動的弾性アクチュエータを備える、請求項17に記載のシステム。
- ロボットシステムのロボット関節の動作方法であって、当該方法は、
前記ロボットシステムの関節を規定し動作させるクラッチ式関節モジュールのクラッチ機構の電磁アクチュエータを係合状態又は半係合状態に操作して、ねじりばねを含む準受動的弾性アクチュエータを弾性状態又は半弾性状態にする段階であって、前記クラッチ機構は交互に配置されて互いに面する複数のプレートを含む、段階と、
前記関節の回転の少なくとも一部の間に前記準受動的弾性アクチュエータにエネルギーを蓄積させるように前記関節の第1の回転を行う段階と、
前記蓄積されたエネルギーを前記準受動的弾性アクチュエータから、一次トルクとともに、前記クラッチ式関節モジュールの出力部材に加えられる増大トルクの形態で解放させるように、前記関節の第2の回転を行う段階と、
前記準受動的弾性アクチュエータを非弾性状態にするべく、前記クラッチ機構を選択的に非係合状態にする段階と、
前記関節の第3の回転を行う段階であって、前記準受動的弾性アクチュエータは、前記クラッチ式関節モジュールおよび前記関節の自由揺動モードを容易にする、段階と、を備え、
前記電磁アクチュエータは、前記クラッチ機構の前記複数のプレートに可変圧縮力を印加し、それによって前記クラッチ機構を前記係合状態又は前記半係合状態のうちの一方に入らせるよう可変の電磁場を発生させるように動作可能である、方法。 - 前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態と非弾性状態とで切り替えるべく、前記クラッチ機構を選択的に前記係合状態および前記非係合状態にする段階を更に備える、請求項21に記載の方法。
- 前記関節の第1の回転を行う段階、前記関節の第2の回転を行う段階および前記関節の第3の回転を行う段階のうちの少なくとも一つは、一次トルクを前記出力部材に印加するべく一次アクチュエータを動作させることを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記関節の第1の回転を行う段階、前記関節の第2の回転を行う段階および前記関節の第3の回転を行う段階のうちの少なくとも一つは、前記関節に印加される力を外部から受けることを含む、請求項21に記載の方法。
- 前記クラッチ式関節モジュールを作動させるべく、前記一次アクチュエータからの前記一次トルクを変速機へと伝達させる段階を更に備える、請求項23に記載の方法。
- 前記準受動的弾性アクチュエータを前記弾性状態、前記半弾性状態および前記非弾性状態それぞれに切り替えるべく、前記クラッチ機構を選択的に前記係合状態、前記半係合状態および前記非係合状態にする段階を更に備える、を備える、請求項21に記載の方法。
- ロボットアセンブリ内で使用されるクラッチ式関節モジュールであって、
ロボットシステムの第1の支持部材に結合可能な出力部材と、
前記ロボットシステムの第2の支持部材に結合可能な入力部材と、
前記第1の支持部材と前記第2の支持部材とを互いに対して前記クラッチ式関節モジュールの回転軸周りに回転させるべく前記出力部材に一次トルクを印加するように動作可能な一次アクチュエータと、
前記入力部材に結合される第1の端部を有し、前記出力部材を前記回転軸周りに回転させるべく前記一次アクチュエータによって加えられる前記一次トルクと組み合わせられる増大トルクを前記出力部材に印加するように動作可能なねじりコイルばねを含む準受動的弾性アクチュエータと、
前記一次アクチュエータおよび前記準受動的弾性アクチュエータに結合され、係合状態、半係合状態および非係合状態で動作可能であるクラッチ機構であって、前記クラッチ機構は:
前記入力部材に結合されたクラッチハウジングと、
前記クラッチハウジングによって保持される複数の入力プレートと、
前記クラッチハウジングによって回転可能に支持され、前記複数の入力プレートと交互に配置されて回転可能に面する複数の出力プレートと、
前記クラッチハウジングに結合され、前記出力プレートおよび前記入力プレートに選択的に可変圧縮力を印加して、前記クラッチ機構を前記係合状態又は前記半係合状態のうちの一方で動作させるように動作可能であり、前記可変圧縮力を選択的に取り除いて、前記クラッチ機構を前記非係合状態で動作させるように動作可能である、電磁アクチュエータと、を備える、
クラッチ機構と、を備え、
前記一次アクチュエータおよび前記出力部材は、トルク伝達装置によって互いに動作可能に連結されており、
前記係合状態において、前記クラッチ機構は、前記準受動的弾性アクチュエータを弾性状態にして前記増大トルクの印加を容易にし、前記半係合状態において、前記クラッチ機構は、制動力を生成するように動作する、クラッチ式関節モジュール。 - 前記クラッチ機構および前記一次アクチュエータはそれぞれ互いに実質的に平行な回転中心軸を有する、請求項27に記載のクラッチ式関節モジュール。
- 前記クラッチ機構が前記係合状態にあり前記入力部材が第1の回転を行う時、前記ねじりコイルばねはエネルギーを蓄積し、
前記クラッチ機構が前記係合状態を維持したまま前記入力部材が第2の回転を行う時、前記ねじりコイルばねはエネルギーを解放して、前記増大トルクを印加し、
前記クラッチ機構が前記非係合状態にあり前記入力部材が第3の回転を行う時、前記準受動的弾性アクチュエータは非弾性状態に置かれて前記増大トルクを取り除くのを容易にする、請求項27に記載のクラッチ式関節モジュール。
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